T.C. Sakarya Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü. Prof. Dr. Hatem AKBULUT Yrd. Doç. Dr. Mehmet Oğuz GÜLER

Transkript

1 T.C. Sakarya Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü Prof. Dr. Hatem AKBULUT Yrd. Doç. Dr. Mehmet Oğuz GÜLER

2 KAPSAM BÖLÜM I Nanotıp BÖLÜM II Onkoloji Alanında Nano Teknoloji BÖLÜM III Nanobiyoteknoloji Uygulamaları BÖLÜM IV Özet

3 Nano Tıp Tanım: Nanometre boyutunda partiküllerin en önemli özellikleri üstün optik, manyetik, kimyasal ve yapısal niteliklere sahip olmalarıdır. Bu nedenle özellikle tıp alanında kütlesel formdaki malzemeler yerine daha çok tercih edilmektedirler. Potansiyel Uygulama Alanları İlaç Taşınımı Medikal Görüntüleme Teşhis & Hissetme Tedavi

4 Nano Tıp Alanında Gerçekler A. Son 30 yılda çalışmalar eksponansiyel artmıştır B. En Etkili Olduğu Alan İlaç Taşınımıdır C. Nano tıp alanında ticari pazarı en geniş olan alandır Nature Biotechnology 2006, Vol. 4, pp

5 İlaç Taşınımı A. Büyük partiküller vücut tarafından atılma eğilimindeyken nanopartiküller hücreler tarafında kabul edilip, emilirler ) Dışı vücut hücrelerince biyo-uyumlu olan bir nano partikülün içerisi ilaç ile doldurulur. 2) Biyo-uyumlu bir zar içeren nano partikül hedef hücre tarafından reddedilmez ve nano partikül ile etkileşime geçer. 3) Nano partikül hücre tarafından emilir ve hücre içerisinde biyomoleküllerle etkileşime geçer. 4) Nano partikül parçalanır ve ilaç hücre içerisinde serbest bırakılır. Source: Comprehensive Cancer Center Ohio University

6 İlaç Taşınımı Örnek Uygulama A. İlaç taşınımı için kullanılan nanopartiküller metal, polimer yada lipit esaslı olabilir. Ticari olan SİRNA diye bilinen bir ilaç örneği aşağıda verilmiştir. Dış kabuğu lipit olan SİRNA hücre tarafından kabul edilir ve hücre içerisine girdiğinde içindeki ilacı serbest bırakarak tedaviyi başlatır. B. C. lipid antibody SiRNA Sağlıklı Hücre Hastalıklı Hücre Science 2008, Vol. 316, pp İlaçla Tedavi Edilmiş Hastalıklı Hücre

7 Medikal Görüntüleme A. Nano partiküllerin optik özellikleri ağırlıklı olarak kristal yapısına bağlıdır. Özellikle, bir kuantum dot (yarı iletken bir nanopartikül) tarafından emilen renk (dalga boyu) partikül boyutuna bağlıdır. B. C. Bir hedef hücre içerisinde enjekte edilen KD ler daha sonra ışık ile uyarılarak gözlemlenirler. CdSe nanopartikül (KD) kristal yapısı Laurence Livermore Laboratuarları KD lerin hedef hücre içerisinde görüntülenmesi Nano Letters 2008., Vol. 8, pp Farklı yarıçaplara sahip CdSe KDları Department of immunology, Toronto Üniversitesi

8 Bir KD Nanoparikülü A. KD ler yada yarı iletken nanopartiküller tek başlarına oldukça toksiktirler. Bu nedenle biyouyumlu olmaları nedeniyle yapılarında bir takım düzenlemeler yapılmalıdır. 1) Yarı iletkenin çekirdeği ışığı karşı oldukça duyarlıdır ve gelen ışı emer ) Çekirdeğin hemen üzerinde herhangi bir ışıktan duyarlaşmayı engelleyen bir izolatör tabaka bulunmaktadır. Bu ise fonksiyonelleştirme basamağını kolaylaştırır. 1 3) PEG (Polietilen glikol) yada biyouyumlu bir lipit tabaka ile çekirdek biyouyumlu hale dönüştürülür. Source: The scientist (2005), Vol. 19, p ) İlave bir fonksiyonelleştirme adıjmı çeşitli amaçlarla gerçekleştirilebilir. ( örneğin, çekirdek içerisine ilaç ekleme yada KD çekirdeğinin bir anti-body ile kaplanması.

9 Hücreler arası görüntüleme için KD kullanımı A. KD nano partikülü lipit esaslı bir nanofilm ile kaplanır ve böylelikle biyouyumlu halen gelen KD hücreye saldırarak yüzeyine yapışır. Hücre tarafında emildikten sonra lipit esaslı film dekompoze olan KD hücre içerindeki çeşitli yapılara yapışarak onların görüntülenmesine yardımcı olur. B. Ligand kaplı KDNP Emilim Dekompozisyon C. KD (kırmızı) nanpartikülleri hücreler arasına yerleşir. Etiketleme KD nin serbest bırakılması Nano Letters 2008., Vol. 8, pp D. Nukleusun görüntülenmesi (mavi) ve sitoplasma (yeşil). İlaç alımından 30 dk ve 3 saat sonra çekilmiş görüntü.

10 Teşhiş ve Hissetme A. Hastalıklar bir dizi biyomolekülün vücut içerisine verilmesi ile teşhis edilebilir. Herbir biyomolekülün özel bir imzası vardır ve buna bağlı olarak rahatsızlık tipi saptanır. B. Herbir hücre türü kendine has bir moleküler imzaya sahiptir. Böylelikle hasta yada sağlıklı hücreler birbirlerinden ayırt edilebilirler. Benzeri şekilde bir enfeksiyon bile özel imzalı moleküllerle başlangıç safhasında teşhis edilebilir. C. nanopartikülü özel bir biyo marker içerecek şekilde fonksiyonelleştirilebilir. Böylelikle, nanopartikül biyo markera ve biyo markerda hastalıklı hücreye yapışarak teşhisi gerçekleştirir. D. Hücre zarı Nanopartikül Kaplanmış molekül özel bir moleküler imza taşır Hasta hücre molekülün özel imzalı elemanı ile etkileşime geçer. Huffman, Nanomedicine and Nanobiotechnology, Vol. 1, 1, 2009

11 Nanopartiküllerin Çalışması A. Ferromanyetik bir nanopartikül insan immoglonulini G (IgC) ile fonksiyonelleştirilerek insan vücudunda stafillokokkus protein zarına bağlanması sağlanır. Sonrasında yapılacak olan MR ile vücuttaki bir bakteri teşhis edilebilir. B. C. Stafillokokkus üzerinde fonksiyonelleştirilmiş nanopartiküllerin birikmesi. Fonksiyonel tabakanın dekompozisyonu sonrası ortaya çıkan ferromanyetik partiküller. Analytical Chemistry 2004, Vol. 76, pp Manyetik partiküllerle etkilişime giren bakterilerin sayılması Ulusal Araştırma Enstitüsü, Kanada

12 Kimyasal Burun (Çok fonksiyonlu teşhis) A. Kimyasal analizler yoluyla bir elmanın kırmızı olduğunu ispatlamak oldukça zordur. Elma zarında karmaşık kimsal bileşiklerin bulunması ve buna bağlı olarak elmanın hasta yada sağlıklı olduğunu teşhis edebilmek çok güçtür. B. Elmanın kokusundan sağlıklı olup olmadığının anlaşılmasıda teşhiste kullanılan bir yöntemdir. Böylelikle burunu simüle eden bir cihaz aşağıdaki modele uygun olarak tespit edilebilir. C. D. Altın nano partiküllerin üç set biyouyumlu NP1,NP2,NP3 ile fonksiyonelleştirilmesi Florasan etkiye sahip bir polimer ile teşhis PNAS 2009, Vol. 106, pp

13 Fluorescence change Hücre Zarı D. NP1 Kimyasal Burun (Çok fonksiyonlu NP2 NP3 polimer Polimerin parçalanması teşhis) E. Partikülün polimer ile kaplanması sonrası florasan etki gözlemlenmez. Hücre ile etkileşim sonrası polimer parçalanır ve partikül hücre içerisine alınır ve florasan etki başlar. F. NP1, NP2 ve NP3 den alınan sinyaller birleştirilerek teşhis gerçekleştirilir. G. PNAS 2009, Vol. 106, pp Normal hücre Kanserli hücre Metastatik hücre

14 Terapi A. Nanometre boyutundaki partiküller uygun bir kaynak ile (elektromanyetik yada akustik) aktive edildiklerinde yerel olarak seçilmiş noktalarda ısı gibi sinyaller verirler. Nanopartiküller bu etkileri tolere edebilirlerken biyolojik hücreler edemezler. Kolloidal altın B. Altın nano partiküller onlarca yıldır kaslar içerisine enjekte edilerek kas iltihaplarının teşhisinde kullanılmaktadırlar. Ancak altının nasıl bir etki ile hastalıklı bölgeye kesin olarak ortaya çıkardığı henüz tam olarak bilinmemektedir. John Hopkins Sağlık Merkezi C. Infrared ışınları ile bir fare içerisindeki altın nanopartiküller gözlemlenmektedir. Altın uygun bir kaynak ile aktive edildiğinde farenin hastalıklı hücrelerine yerleşimiş olan altın ısı yaymaktadır. Adv. Mater. 2009, 21,

15 Altın nanopartikülleri vs. Alzheimer A. Alzheimer ve benzeri hastalıklar amyloidal beta (Aβ) proteininin kümeleşmesi ile ortaya çıkar. B. Berkeley Lab C. Alzheimerlı beyin Sağlıklı Beyin D. Altın nanopartikülleri bu proteinin üzerine yapışabileceği özel bir yapıyla fonksiyonelleştirilir. Fonksiyonelleştirilmiş nanopartikül Aβ-protein kimyasal yapısı

16 Altın nanopartikülleri vs. Alzheimer A. Fonksiyonelleştirilmiş altın nano partikülleri seçici olarak amyloidal proteinine yapışır. Belirli frekanslarda mikrodalga uygulanarak bu pıhtılar dağıtılır. Mikrodalga öncesi Mikrodalga sonrası Nanoletters 2006, Vol. 6, pp

17 BÖLÜM II Onkoloji Alanında Nano Teknoloji

18 Kanser Alanında Nanoteknoloji A. Kanser ile savaşta çoklu disiplinli yapıların bir araya gelip çalışması zorunludur. B. C. Tanım Kanser alanında nanoteknoloji özellikle nanopartiküllerin tedavi amaçlı kullanıldığı bir nano tıp bilimidir nm boyutundaki nano partiküller yeterli seviyede yüzey alanına sahiptirler ve özel hedefler için çeşitli yapılarla fonksiyonelleştirilebilirler. Annu. Rev. Biomed. Eng Vol. 9, pp

19 Kanser Gerçeği A. Dünyadaki ölüm nedenleri sırasında ikincidir ve ağırlıklı olarak kalitesiz yaşamdan kaynaklanmaktadır. B. Akciğer kanseri özellikle ölümcül kanser hastalıklarında ikinci sıradadır..

20 Motivasyon Teşhis A. En önemli faktör kanserin başlangıç evresinde teşhis edilmesidir. Tedavi B. Kemoterapi ve radyoterapi hem hastalıklı hemde sağlıklı hücreleri aynı anda öldürür. GÖRÜNTÜLEME C. Kanser hücreleri ameliyat yoluyla alınıp incelenebilir.

21 Kanser: Çok karmaşık bir problem A. Bir mühendis olarak kanseri entropisi gitgide artan bir hastalık olarak düşünebiliriz. Bu nedenle kanser düzensiz olarak milyonlarca hücrenin kontrolsüz büyümesi şeklinde düşünülmelidir. B. entropi C. Teşhis ve tedavide biyoloji ile mühendislik bir araya gelmeli ve ortak sonuçlar üretilmelidir. D. Temel anahtar ise farklı tür kanserlerin biyolojik olarak tamamen işaretlenmesi yada tanımlanmasıdır.

22 Biyo işaretleyicilerin araştırma durumu?? biyo işaretleyiciler GÜNÜMÜZDE PSA değerlerinde anormal artışlar?? var. Prostat kanseri riski olabilir. PSA PSA seviyeli kritik seviyenin üzerinde BM1,BM2,BM3 sinyal alınmıyor, BM4 çok yüksek seviyede artmış. A fenotipine bağlı olarak bir prostat kanseri başlangıcı var. BM5 ^de sıkıntı yok durum kontrol altında GELECEKTE BM4 BM3 BM1 BM5 PSA BM2

23 Nanoproplar Kuantum Dotlar Altın Nanopartikülleri Nano çubuklar Fonksiyonelleştirilmiş Nanotupler Lipozomlar Polimerik Nanopartiküller

24 KD ile Tümor Tayinir A. X-Işınları ile biyolojik yapılarda kanser görüntülemesi yapılabilir. B. C. 560-QD-Streptadivin kanserli hücreleri X-ışınları ile görüntülenebilir. Annu. Rev. Biomed. Eng Vol. 9, pp Nature Biotechnology Vol. 9, pp

25 Altın Nanopartikülleri ile Tümor Teşhisi A. Altın nanopartiküller fonksiyonelleştirildikten sonra kanserli hücrelere entegre edilmeye çalışılmaktadır. B. Tumor fotoğrafı Kontrast değişimi ile teşhis Nanotechnology Vol. 20,

26 Teşhis A. Çoklu biyo işaretliyiciler kullanılmalı ve sinyalleri ortak değerlendirilmeli. B. Spesifik bir kanserli hücre üzerine eş zamanlı çalışan birden fazla biyo işaretleyici konulabilmelidir. C. Farklı işaretleyiciler kanserin ne kadar hızlı ilerlediğini ölçebilmelidir. D. Kan Damarları tümor Kanserli Hücre metastasis

27 Çoklu Teşhis A. Farklı tane boyutuna ve renge sahip 4 adet KD farklı türde antijenlerle fonksiyonelleştirilmeli. Birden fazla kanserli hücre ile reaksiyona girebilmeli. Piklerin genişliği KD nin konsantrasyonunu veriri. Saldırgan kanserli hücre Herbir pik speisifk bir KD/antijen hücresini ifade eder. İyi huylu kanserli hücre Nature Protocols Vol. 2, pp. 1-15

28 Nanotermometreler ile Teşhis A. Kanserli hücrelerin sıcaklıkları normal hücrelerden çok daha fazladır. Bu nedenle yerel bir termometre ile sıcaklık haritası çıkarılabilir. C. B. PEG ile altın nanopartikül fonksiyonelleştirilir. Paritkülün emisyon özellikleri sıcaklık ile değişir. D. Emisyon ve sıcaklık ilişkisi sağlıklı hastalıklı Angew. Chem. Int. Ed. 2005, Vol. 44, th European Congress of Thermology, Krakow, Poland

29 Tedavi A. İki modlu bir tedavi sistemi. Nanopartiküllerle görüntüleme ve tedavi B. Nanopartiküllerle iki türlü aksiyon gerçekleştirmek mümkün: Pasif Görüntüleme Aktif Tedavi Kanserli hücrelerin hidrodinamik boyutlarındaki değişim izlenebilir. Kanserli hücrelere çeşitli nanopartiküllerle yapılacak olan saldırı.

30 Kayıpların Avantajlarından Faydalanma A. Tümörlü hücrelerden genellikle emilim fazladır. B. Kan akışı içerisine dahil edilen nanopartiküller sağlıklı hücreler içerisine fazla emilim yapamazlar. C. Tümörlü hücreleri çevreleyen kan damarlarıda oldukça poroziteli ve hasarladır. D. Kan içerisine enjekte edilmiş nanopartiküller böylelikle ağırlıklı olarak hastalıklı hücreler içerisine emilirler. Annu. Rev. Biomed. Eng Vol. 9, pp

31 Polimer Nanopartiküller A. Çift fazlı bir nanopartikül hastalıklı ve sağlıklı hücre ayrımı yapabilir. B. Hücre içerisine emildiğinde polimerik zarar erir ve kanser önleyici ilaç serbest kalır. C. Görüntüleme partikülü İlacın yanı sıra gözlemleyici bir partikülde zar içerisine eklenebilir. Annu. Rev. Biomed. Eng Vol. 9, pp

32 BÖLÜM III Nanobiyoteknoloji Uygulamaları

33

34 Nanotüpler A. Karbon nanotüpler radyo frekansına maruz kaldıklarında ısı ortaya çıkarırlar. B. KNT lerin kimyasal özellikleri çok kolay bir şekilde fonksiyonelleştirilmelerine yardımcı olurlar. C. CoMoCAT yöntemi ile üretilen nanotüpler Kentara polimeri ile kolaylıkla fonksiyonelleştirilebilirler. CoMoCAT yöntemi ile KNT üretimi Southwest nanotechnologies

35 Isı Salınım Testleri A. Farklı konsantrasyonlardaki KNT solüsyonları radyo frekansları ile uyarılırlar. Çözelti içerisinde ısıları ölçülür. 250mg/L 50mg/L 0mg/L Radyo dalgaları Hamamatsu Nanotechnology Nanotüp süspansiyonu Cancer 2007;Vol.110, pp

36 Isı Salınım Testleri A. Kaynak gücü ile ortaya çıkan ısı arasında doğrusal bir artış varken, konsantrasyon ile doğrusal olmayan bir artış vardır. Radyasyon frekansları dokuya zarar vermeyecek şekilde seçilmiştir. 600W RF SWCNT Cancer 2007;Vol.110, pp

37 Sitotoksite testleri A. Aşağıdaki insandan alınmmış hücreler 24 saat nanotüp çözeltileri içerisinde canlı tutulmuştur. Hepatocellular carcinoma Hep3B Hepatocellular carcinoma HepG2 Panc-1 pancreatic adenocarsinoma B. Sonuç olarak KNTlerin insan hücreleri üzerinden herhangi bir zehirleyici etkisinin olmadığını göstermiştir. Cancer 2007;Vol.110, pp

38 Nanotüpleri Hücreler Arasındaki Dağılımları A. Dherhangi bir zehirleyici durum olmamasına karşıllık aydınlık alan görüntüleri hücre içerisindeki KNT dağılımlarını göstermektedir. SWCNT siz Kültür B. IR ye karşılık veren KNT lerin optik resimleri SWCNT li Kültür nanotüpler nanotüpler Cancer 2007;Vol.110, pp

39 Sitotoksik Etki A. Circonorma hücresine uygulanan radyo dalgaları sonrasında SWKNT lerin sitotoksik etklileri Hepatocellular carcinoma Hep3B Radyasyon Öncesi 2 dklık radyasyon Kendine gelme B. M1,M2, ve M3 fazlarındaki hücrelerin sayımı. Cancer 2007;Vol.110, pp

40

41 Raman Saçılımı A. Bir ışık bir yüzeye çarptığında Raman Saçılımı oluşur. Saçılım esnasında ışığın çok büyük bir kısmı elastik olarak saçılırken çok küçük bir kısmı inelastik saçılır. Bu ise renk değişimine neden olur. Çok zayıf bir etkileşim Gelen Işık hv 1 Dönen Işık hv 2 Earth System Research Laboratory hv 1 hv 1 hv 2 Titreşim enerjisi

42 Raman Saçılımı A. Metalik bir yüzeydeki molekülün raman sinyali n mertebesinde güçlendirilir. Microfluid Nanofluid 2009;Vol.6, pp B. Farklı şiddetlerde piklerin eldesi ise o molekülün parmak izini gösterir.

43 Nano partikülün Sentezlenmesi Kolloidal altın çözeltisi karıştırma Raman raporlama çözeltisi PEG çözeltisi karıştırma karıştırma Çok fonksiyonlu PEG çözeltisi Nanopartikül karıştırma ScFv EGFR antibody çözeltisi Nature Biotechnology 2008;Vol.26 pp

44 BÖLÜM IV ÖZET

45 Özet Nano partiküller sahip oldukları üstün niteliklerden dolayı nanotıp alanında çok büyük önem taşırlar. Nano partiküller belirli hücrelerde emilebilmek amacıyla çeşitli antikorlarla fonksiyonel olarak bağlanabilirler. Nano partiküller yoluyla özetlikle hastalıkların teşhis edilmesi kolaylıkla gerçekleştirilebilir.

46 Özet Nano partiküller dışarıdan gelen bir etkiye cevap olarak ısınabilir ve çevrelerindeki hücreleri öldürebilirler. Lipit yada polimerlerden yapılmış olan nano partiküller hedef hücreye ulaştıktan sonra parçalanarak o bölgeye ilaç taşınımı yapabilirler. Kuantum dotlar tane boyutlarına bağlı olarak farklı renkteki ışıkları emebilirler ve çok karmaşık rahatsızlıkların tespit edilmesinde kullanılabilirler.

47 Özet PEG (polietilen glikol) yüksek biyo uyumluluğa sahip olmasından ötürü nano partiküllerin kaplanmasında en çok tercih edilen polimerdir. Günümüzde özellikle kanseri yakın gelecekte tedavi edebilecek birçok nano partikül prototip olarak üretilmiştir. İdeal bir nano partikülün 3 modu bulunmaktadır: tümörlü hücreyi bulur, teşhis eder ve yok eder.

48 Halen Çözüm Bekleyen Konular Uzun dönemde zehirleyici etki Sinyal kalitesi Biyo marker kütüphanesi 3-B çözünürlük İnsan üzerinde başarılı deneyler.

49 Fırsatlar Çok fonksiyonlu nano partiküller. Canlı organizmalar içerisinde nano partiküllerin parçalanması Tedavi etkisini bozmayacak şekilde nano partiküllerin kayıp zamanlarının geliştirilmesi. Toksik elementlerin yok edilmesi. Fonksiyonel tabakanın canlı hücrelerle uyumu.

50 Fırsatlar Fonksiyonel tabaka olarak kullanılan bazı polimerlerin yanıcı ve zehirleyici etkilerinin ortadan kaldırılması. Zamanında önce fonksiyonel tabakanın yok olması sonrasında toksik elementlerin ortaya çıkmaması. Medikal görüntüleme işlemlerinde kontrastın sürekli olarak yüksek olması (dokuların doğal florasan etki göstermesi)

51 Fırsatlar Gerçek zamanlı olarak ilaç dağılımının görüntülenmesi, tedavinin izlenmesi ve hastanın tedaviye verdiği cevapların izlenmesi. En alt limitlerde biyo markerların hızlı bir şekilde görüntülenmesi. Kanser oluşumunun ve başlangıcının izlenebilmesi Kişisel tedavilere yönelik teşhisler Derin tümörlerin teşhis edilmesi Aşırı heterojen dokularda seçici hedef belirleme.